Studio numerico e sperimentale della tenacità del tessuto osseo corticale

The bone and the skeletal system are extremely important to human life. The study of the mechanisms that determine the fracture is , therefore, a research field of great interest and importance. Particulalry, finding out the effects of the microstructure and the properties of materials on the propagation of a crack is one of the most important aspect to consider. In this work , two and three dimensional numerical models have been developed to simulate the fracture of bovine cortical bone tissue taking into account its microstructure . The models represent the cross section of the bovine bone and were analyzed using XFEM (extended finite element method ) . The topology of the cross section has been idealized to improve the accuracy of the analysis. The models were developed and analyzed using the software Abaqus and give indications about the stress field and the propagation of the crack in the bone. In particular , the attention is focused on the importance of the cement line and how it affects the response of the material. Experimental tests were also performed on a bovine femur to characterize the properties of the material. Furthermore , the toughness tests were carried out to obtain information on the fracture mechanics in the longitudinal direction to complete the analysis on the importance of the microstructure on the global behavior of the material.

L’osso e l’apparato scheletrico sono di estrema importanza per la vita dell’uomo. Lo studio dei meccanismi che ne determinano la frattura è, quindi, un campo di ricerca di notevole interesse e importanza. In particolare, scoprire gli effetti della microstruttura e delle proprietà dei materiali sulla propagazione di una cricca è uno degli aspetti più importanti da considerare. In questo lavoro, sono stati sviluppati dei modelli numerici bidimensionali e tridimensionali per simulare la frattura di tessuto osseo corticale bovino tenendo conto della sua microstruttura. I modelli rappresentano la sezione trasversale dell’osso bovino e sono stati analizzati tramite l’uso dell’XFEM (extended finite element method). La topologia di questa sezione trasversale è stata idealizzata per migliorare la precisione dell’analisi. I modelli sono stati sviluppati e analizzati tramite il software Abaqus e forniscono indicazioni sullo stato di sforzi e sulla propagazione della cricca all’interno del tessuto osseo. In particolar modo, si è concentrata l’attenzione sull’importanza della linea cementizia e su come essa influenzi la risposta del materiale. Sono state, inoltre, eseguite delle prove sperimentali su un femore bovino per caratterizzare le proprietà del materiale. Inoltre, sono state effettuate delle prove di tenacità per ottenere informazioni sulla meccanica della frattura in direzione longitudinale per completare l’analisi sull’importanza della microstruttura sul comportamento globale del materiale.